WO1998059175A1 - Verdichterschaufel und verwendung einer verdichterschaufel - Google Patents

Verdichterschaufel und verwendung einer verdichterschaufel Download PDF

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Ulf KÖLLER
Reinhard MÖNIG
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/02—Formulas of curves

Definitions

  • the invention relates to a compressor blade and the use of a compressor blade.
  • US Pat. No. 4,773,825 describes an aircraft propeller with specially designed propeller blade profiles.
  • the propeller blade profiles are designed so that different load conditions during flight operations, e.g. can be met in a climbing or travel phase.
  • the object of the present invention is therefore to provide a compressor blade which is efficient has particularly good properties.
  • Another object of the invention is to specify the use of such a compressor blade.
  • the object aimed at specifying a compressor blade is achieved by specifying a compressor blade with a blade profile which has:
  • the blade profile has a convexly curved suction side contour and a pressure edge contour opposite the suction side contour and the pressure side contour on the front contour connect the trailing edge of the blade and the suction side contour at a suction side intersection with a reference straight line that intersects the chord at 5% of the length of the chord has a radius of curvature that is less than half the length of the chord.
  • a compressor blade designed in this way has the advantage of exhibiting particularly low aerodynamic losses, especially in flow conditions with large Reynolds numbers and high degrees of turbulence.
  • Reynolds number and degree of turbulence are to be understood in accordance with the definition in the book "Flow theory” by Heinz Schade and Ewald Kunz, publishers Walter De Gruyter, Berlin and New York, 1989, pages 290 and 325, respectively.
  • the invention is based on the finding that customary optimizations of compressor blades based on experimental measurement data obtained in wind tunnels do not adequately do justice to the real conditions in a compressor.
  • the flow conditions mentioned with large Reynolds numbers and High levels of turbulence can usually only be achieved with great effort in the wind tunnel; however, they are of considerable importance in a compressor, especially in a compressor with high performance. Based on this knowledge, the design of the new compressor blade described above was carried out.
  • the blade profile preferably includes a circle with a maximum diameter, which maximum diameter defines a maximum profile thickness, a straight line distance line running through the center of this circle intersecting the profile chord perpendicularly and being spaced apart from the leading edge point by a circle distance which is less than 32% of the length of the Is chord and is in particular between 15% and 30% of the length of the chord.
  • This geometric feature means a particular improvement in the properties of the compressor blade with regard to the aerodynamic losses in flows with large Reynolds numbers and high degrees of turbulence.
  • the suction side contour at the suction side intersection has a suction side tangent and the pressure side contour at a pressure side intersection with the reference straight line has a pressure side tangent, the suction side tangent and the pressure side tangent including each other a tangent angle between 5 ° and 20 °.
  • a compressor blade with a blade profile which a) has a leading blade edge point, b) has a trailing blade edge point, c) has a chord which is a straight line and extends from the leading blade edge point to the trailing blade edge point.
  • a convexly curved suction side contour and a pressure side contour opposite the suction side contour which in each case connect the blade leading edge point and the blade trailing edge point
  • the suction side contour preferably has a suction side tangent at a suction side intersection with a reference straight line that intersects the chord at 5% of the length of the chord, and the pressure side contour has a pressure side tangent at a pressure side intersection with the reference straight line, the suction side tangent and the pressure side angle tangent between each other Include ° and 20 °.
  • a compressor blade with a blade profile which has: a) a blade leading edge point, b) a blade trailing edge point, c) a profile chord which is a straight line and extends from the blade leading edge point to the blade trailing edge point, d) a suction side contour which has a suction side tangent at an intersection of the suction side with a reference straight line which perpendicularly intersects the chord at 5% of the length of the chord, and e) a pressure side contour opposite the suction side contour, which has a pressure side tangent at a pressure side intersection with the reference straight line, the suction side tangent and the pressure side tangent including each other a tangent angle between 5 ° and 20 °.
  • the blade profile preferably includes a circle with a maximum diameter, which maximum diameter defines a maximum profile thickness, with the designations: D for the maximum profile thickness,
  • R 100 D defines a relative tangent angle T R which is between 1 and 2.5, in particular between 1.2 and 2.
  • a boundary layer of the gas at the suction side contour preferably occurs, in which boundary layer a velocity maximum occurs, the blade profile being chosen such that the value of the inflow velocity is greater than Mach number 0.4 results in a transition location at which the flow around changes from laminar to turbulent and in which the gas has a transition speed that is at least 90% of the maximum speed.
  • a blade is thus provided which has low aerodynamic losses, in particular because it reduces the turbulent flow of the gas at most over a slight one
  • a boundary layer of the gas is established along the suction side contour from the leading edge of the blade edge to the rear edge of the blade when there is a flow around it with a gas at a predetermined inflow speed at the suction side contour, the blade profile being selected such that a maximum speed occurs in the boundary layer at a maximum location. and wherein a maximum straight line leading through the maximum location and intersecting the chord perpendicularly is spaced from the leading edge of the blade by a maximum distance which is less than 15% of the length of the chord.
  • the blade profile preferably has a profile thickness which is at least 18% of the maximum profile thickness.
  • the thickness pressure position which extends over almost the entire length of the blade profile means that the profile thickness decreases very quickly in the last piece as it approaches the trailing edge of the blade.
  • the object aimed at specifying a use is achieved by using the aforementioned compressor blade in a compressor of a stationary gas turbine.
  • the compressor blades specially designed for large Reynolds numbers and high levels of turbulence to minimize aerodynamic losses.
  • Fig. 6 shows a gas turbine with compressor in a schematic
  • the blade profile 2 has a blade leading edge point 3 and a blade trailing edge point 4.
  • the straight line between the blade leading edge point 3 and the blade trailing edge point 4 is the chord 5.
  • the Blade profile 2 also has a convexly curved suction side contour 6 connecting the blade leading edge point 3 and the blade trailing edge point 4.
  • the suction side contour 6 is opposite a pressure side contour 13 connecting the blade leading edge point 3 and the blade trailing edge point 4.
  • the profile thickness is denoted by d.
  • the blade profile 2 includes a circle 10 with a maximum diameter D.
  • a circular distance line 11 runs through the center M of the circle 10.
  • This straight line distance 11 intersects the chord 5 perpendicularly at a circular distance K, measured from the leading edge point 3 of the blade.
  • a reference straight line 8 intersects the chord 5 vertically at 5% of the length L of the chord 5, measured from the blade leading edge point 3. This value is given as 0.05L.
  • the reference line 8 also intersects the pressure side contour 13 in a pressure side intersection 15 and the suction side contour 6 in a suction side intersection 7.
  • the suction side 6 has a suction side curvature with a radius of curvature P at the suction side intersection 7.
  • a suction side tangent 12 bears against the suction side contour 6.
  • a pressure side tangent 14 lies against the pressure side contour 13.
  • the suction side tangent 12 and the pressure side tangent 14 form a tangent angle T with one another.
  • FIG. 2 shows the cross section of the compressor blade 1 from FIG. 1.
  • a flow around the compressor blade 1 with a gas 20 is shown schematically. Only the flow of gas 20 along the suction side contour 6 m of a boundary layer 23 is shown.
  • the flow of the gas 20, measured from the blade leading edge point 3, is initially a laminar flow 20A.
  • the laminar flow 20A changes into a turbulent flow 20B.
  • the gas there has the transition speed 25.
  • the speed of the gas 20 as a function of the distance from the leading edge point 3 of the blade is shown in dashed lines as the speed distribution 22.
  • the velocity distribution 22 has a value 21 for the inflow velocity A at the blade leading edge point 3.
  • the velocity of the gas 20 increases with increasing distance X from the blade leading edge point 3.
  • a maximum speed 24 is reached at a maximum distance S from the blade leading edge point 3.
  • the speed of the gas 20 decreases until it has reached a value 28 at the end of the blade 1 which is lower than the value 21 of the inflow speed ⁇ .
  • Figure 3 shows a diagram shown in dark
  • FIG. 4 shows the area which contains suitable values for the relative tangent angle T R with regard to aerodynamic losses, in dark.
  • the different values of the area result from different flow boundary conditions.
  • the relative tangent angle T R is therefore preferably between 1.2 and 2.0.
  • FIG. 5 shows the profile thickness d of the compressor blade 1 from FIG. 1 as a function of the distance X from the blade leading edge point 3 along the chord 5.
  • the profile thickness d and the distance X are standardized to the length L of the chord.
  • K 23% of the length L of the chord 5
  • there is a maximum profile thickness d D.
  • FIG. 6 schematically shows a gas turbine 31.
  • a compressor 30 and a turbine 33 are arranged one behind the other along an axis 34.
  • a combustion chamber 32 is connected between the compressor 30 and the turbine 33.
  • 30 blade rings 35 are arranged along the axis 34 in the compressor. These blade rings 35 are constructed from compressor blades 1 according to FIG. 1.
  • Guide vane rings 1A and moving vane rings 1B alternate along axis 34.
  • air 20 is drawn into the compressor 30.
  • This air 20 is compressed in the compressor 30.
  • the compressed air 20 enters the combustion chamber 32, where it is burned with the supply of fuel B to exhaust gas 20 '.
  • the exhaust gas 20 ′ relaxes in the turbine 33.
  • the turbine 33 is driven thereby.
  • the flow conditions occurring in the compressor 30, which are characterized by large Reynolds numbers and high degrees of turbulence, are met by the compressor blades 1 due to the design described above, so that there are low aerodynamic losses and thus a high efficiency for the gas turbine 31.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel (1), insbesondere für den Verdichter (30) einer stationären Gasturbine (31). Das Schaufelprofil (2) der Verdichterschaufel (1) ist so ausgebildet, dass sich bei einer Umströmung der Verdichterschaufel (1) mit grosser Reynoldszahl und hohem Turbulenzgrad besonders niedrige aerodynamische Verluste ergeben.

Description

Beschreibung
Verdichterschaufel und Verwendung einer Verdichterschaufel
Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel und die Verwendung einer Verdichterschaufel.
In der DE 31 41 948 C2 ist eine Schaufel mit konischem Schaufelprofil für den Verdichter einer Gasturbine beschrieben. Es wird ausgeführt, daß in Kränzen angeordnete Schaufeln eines Verdichters bei der Durchströmung mit einem Gas hoher Geschwindigkeit Stoßwellen erfahren können. Das Gas strömt in einer Grenzschicht entlang der Oberfläche der betreffenden Schaufeln. Durch eine Stoßwelle kann es zu einer Ablösung dieser Grenzschicht von der Schaufeloberfläche kommen. Dies verursacht aerodynamische Verluste. Diese Verluste begrenzen den Wirkungsgrad der Schaufeln. Von besonderer Bedeutung sind solche Verluste in einem Trans-Schall-Strömungsfeld, d.h. in einem Strömungsfeld, welches Gebiete von lokaler Unterschall- geschwindigkeit und lokaler Überschallgeschwindigkeit nebeneinander enthält. Es besteht die Möglichkeit, zur Verringerung dieser Verluste die Kontur der Schaufel zu optimieren. Es wird in dieser Druckschrift eine Schaufel mit einem konischen Schaufelprofil, einer konturierten Saugfläche und einer konturierten Druckfläche angegeben, die sowohl eine gute aerodynamische Leistungsfähigkeit aufweist als auch einfach herstellbar ist. Angestrebt ist eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades einer Verdichterschaufel.
In der US-PS 4,773,825 ist ein Flugzeugpropeller mit speziell ausgeführten Propellerblattprofilen beschrieben. Die Propellerblattprofile sind so gestaltet, daß unterschiedlichen Be- lastungszuständen während eines Flugbetriebs, z.B. in einer Steig- oder Reisephase, begegnet werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Verdichterschaufel anzugeben, die bezüglich des Wirkungsgrades besonders gute Eigenschaften aufweist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Verwendung einer solchen Verdichterschaufel .
Erfindungsgemäß wird die auf die Angabe einer Verdichterschaufel gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe einer Verdichterschaufel mit einem Schaufelprofil, welches aufweist:
a) einen Schaufelvorderkantenpunkt, b) einen Schaufelhinterkantenpunkt, c) eine Profilsehne, die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt zum Schaufelhinterkantenpunkt erstreckt, wobei d) das Schaufelprofil eine konvex gekrümmte Saugseitenkontur und eine der Saugseitenkontur gegenüberliegende Druckseitenkontur aufweist, die jeweils den Schaufelvorderkantenpunkt und den Schaufelhinterkantenpunkt verbinden und wobei die Saugseitenkontur an einem Saugseitenschnittpunkt mit einer die Profilsehne bei 5% der Länge der Profilsehne senkrecht schneidenden Bezugsgeraden einen Krümmungsradius aufweist, der kleiner als die Hälfte der Länge der Profilsehne ist.
Eine so ausgestaltete Verdichterschaufel bietet den Vorteil, insbesondere bei Strömungsverhältnissen mit großen Reynolds- zahlen und hohen Turbulenzgraden besonders niedrige aerodynamische Verluste aufzuweisen. Die Begriffe Reynoldszahl und Turbulenzgrad sind hierbei entsprechend der Definition in dem Buch „Strömungslehre" von Heinz Schade und Ewald Kunz, Verlag Walter De Gruyter, Berlin und New York, 1989, Seite 290 bzw. 325, zu verstehen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß übliche Optimierungen von Verdichterschaufeln nach experimentellen, in Windkanälen gewonnenen Meßdaten den realen Verhältnissen in einem Verdichter nicht ausreichend gerecht werden. Die erwähnten Strömungsverhältnisse mit großen Reynoldszahlen und hohen Turbulenzgraden sind im Windkanal in der Regel allenfalls mit hohem Aufwand realisierbar; sie sind aber in einem Verdichter, insbesondere in einem Verdichter mit großer Leistung, von erheblicher Bedeutung. Von dieser Erkenntnis aus- gehend wurde die Ausgestaltung der oben beschriebenen, neuen Verdichterschaufel vorgenommen.
Bevorzugt schließt das Schaufelprofil einen Kreis mit einem maximalen Durchmesser ein, welcher maximale Durchmesser eine maximale Profildicke definiert, wobei eine durch den Mittelpunkt dieses Kreises führende Kreisabstandsgerade die Profilsehne senkrecht schneidet und um einen Kreisabstand vom Schaufelvorderkantenpunkt beabstandet ist, der kleiner als 32% der Länge der Profilsehne ist und insbesondere zwischen 15% und 30% der Länge der Profilsehne liegt. Dieses geometrische Merkmal bedeutet eine besondere Verbesserung der Eigenschaften der Verdichterschaufel hinsichtlich der aerodynamischen Verluste in Strömungen mit großen Reynoldszahlen und hohen Turbulenzgraden.
Weiter bevorzugt weist die Saugseitenkontur am Saugseitenschnittpunkt eine Saugseitentangente und die Druckseitenkontur an einem Druckseitenschnittpunkt mit der Bezugsgeraden eine Druckseitentangente auf, wobei die Saugseitentangente und die Druckseitentangente miteinander einen Tangentenwinkel zwischen 5° und 20° einschließen.
Die auf die Angabe einer Verdichterschaufel gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch eine Ver- dichterschaufel mit einem Schaufelprofil, welches a) einen Schaufelvorderkantenpunkt, b) einen Schaufelhinterkantenpunkt, c) eine Profilsehne, die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt zum Schaufelhinterkantenpunkt erstreckt, d) eine konvex gekrümmte Saugseitenkontur und eine der Saugseitenkontur gegenüberliegende Druckseitenkontur, welche jeweils den Schaufelvorderkantenpunkt und den Schaufelhinterkantenpunkt verbinden, aufweist und welches e) einen Kreis mit einem maximalen Durchmesser einschließt, welcher maximale Durchmesser eine maximale Profildicke definiert, wobei eine durch den Mittelpunkt dieses Kreises führende Kreisabstandsgerade die Profilsehne senkrecht schneidet und um einen Kreisabstand vom Schaufelvorderkantenpunkt beabstandet ist, der kleiner als 32% der Länge L der Profilsehne ist und insbesondere zwischen 15% und 30% der Länge L der Profilsehne liegt.
Die Vorteile dieser Verdichterschaufel ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen.
Bevorzugt weist hier die Saugseitenkontur an einem Saugseitenschnittpunkt mit einer die Profilsehne bei 5% der Länge der Profilsehne senkrecht schneidenden Bezugsgeraden eine Saugseitentangente und die Druckseitenkontur an einem Druck- seitenschnittpunkt mit der Bezugsgeraden eine Druckseitentangente auf, wobei die Saugseitentangente und die Druckseitentangente miteinander einen Tangentenwinkel zwischen 5° und 20° einschließen.
Die auf die Angabe einer Verdichterschaufel gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch eine Verdichterschaufel mit einem Schaufelprofil, welches aufweist: a) einen Schaufelvorderkantenpunkt, b) einen Schaufelhinterkantenpunkt, c) eine Profilsehne, die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt zum Schaufelhinterkantenpunkt erstreckt, d) eine Saugseitenkontur, welche an einem Saugseitenschnittpunkt mit einer die Profilsehne bei 5% der Länge der Pro- filsehne senkrecht schneidenden Bezugsgeraden eine Saugseitentangente aufweist, und e) eine der Saugseitenkontur gegenüberliegende Druckseitenkontur, welche an einem Druckseitenschnittpunkt mit der Bezugsgeraden eine Druckseitentangente aufweist, wobei die Saugseitentangente und die Druckseitentangente miteinander einen Tangentenwinkel zwischen 5° und 20° einschließen .
Die Vorteile dieser Verdichterschaufel ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen.
Bevorzugt schließt hier das Schaufelprofil einen Kreis mit einem maximalen Durchmesser ein, welcher maximale Durchmesser eine maximale Profildicke definiert, wobei mit den Bezeichnungen: D für die maximale Profildicke,
L für die Lange der Profilsehne und
T für den Tangentenwinkel gemäß
R 100 D ein relativer Tangentenwinkel TR definiert ist, der zwischen 1 und 2.5, insbesondere zwischen 1.2 und 2, liegt.
Bevorzugtermaßen stellt sich bei einer Umstromung der Verdichterschaufel mit einem Gas mit einer vorgegebenen Anstrom- geschwindigkeit eine Grenzschicht des Gases an der Saugseitenkontur ein, in welcher Grenzschicht ein Geschwindigkeitsmaximum auftritt, wobei das Schaufelprofil so gewählt ist, daß sich bei einem Wert der Anströmgeschwindigkeit großer als Machzahl 0.4 ein Transitionsort ergibt, an dem sich die Um- Strömung von laminar nach turbulent ändert, und in welchem das Gas eine Transitionsgeschwindigkeit aufweist, die mindestens 90% des Geschwindigkeitsmaximums betragt. Damit wird eine Schaufel bereitgestellt, die insbesondere dadurch geringe aerodynamische Verluste aufweist, daß sie die turbu- lente Strömung des Gases allenfalls über eine geringfügige
Strecke beschleunigt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ge- schwindigkeitsmaximum, vor dessen Erreichen ausschließlich eine Beschleunigung des Gases erfolgt, sehr nahe am Umschlagpunkt zu einer turbulenten Strömung liegt. Da gerade die Beschleunigung einer turbulenten Strömung große aerodynamische Verluste nach sich zieht, werden durch die allenfalls gering- fugige Beschleunigung der turbulenten Strömung die aerodynamischen Verluste klein gehalten.
Weiter bevorzugt stellt sich entlang der Saugseitenkontur vom Schaufelvorderkantenpunkt zum Schaufelhinterkantenpunkt bei einer Umstromung mit einem Gas mit einer vorgegebenen Anströmgeschwindigkeit an der Saugseitenkontur eine Grenzschicht des Gases ein, wobei das Schaufelprofil so gewählt ist, daß an einem Maximumort in der Grenzschicht ein Ge- schwindigkeitsmaximum auftritt, und wobei eine durch den Maximumort fuhrende, die Profilsehne senkrecht schneidende Maximumgerade vom Schaufelvorderkantenpunkt um einen Maximumabstand beabstandet ist, der weniger als 15% der Lange der Profilsehne beträgt.
Vorzugsweise weist das Schaufelprofil bei 1% bis 99% der Lange der Profilsehne eine Profildicke auf, die mindestens 18% der maximalen Profildicke betragt. Eine solche hohe Dik- kenrucklage gewahrleistet eine besonders stabile Ausfuhrung der Verdichterschaufel.
Die sich über nahezu die ganze Lange des Schaufelprofils erstreckende Dickenrucklage bedeutet, daß die Profildicke bei Annäherung an die Schaufelhinterkante im letzten Stuck sehr schnell abnimmt.
Die auf die Angabe einer Verwendung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelost durch eine Verwendung der vorgenannten Verdichterschaufel in einem Verdichter einer stationären Gasturbine. Gerade für die speziellen Stromungsbedingungen des Verdichters einer stationären Gasturbine ist es von besonderem Vorteil, speziell für große Reynoldszahlen und hohe Turbulenzgrade ausgelegte Verdichterschaufeln zur Minimierung aerody- namischer Verluste einzusetzen.
Äusfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
Fig 1 einen Querschnitt durch eine Verdichterschaufel,
Fig 2 einen Querschnitt durch eine luftumstromte Verdichterschaufel,
Fig 3 Positionen gunstiger maximaler Profildicke einer
Verdichterschaufel in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit eines Gases,
Fig 4 den relativen Tangentenwinkel einer Verdichter- schaufei in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit eines Gases,
Fig 5 die Profildickenverteilung einer Verdichterschaufel entlang der Profilsehne und
Fig 6 eine Gasturbine mit Verdichter in schematischer
Darstellung.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine Verdichterschaufel 1 abgebildet. Dieser Querschnitt stellt ein Schaufelprofil 2 dar. Das Schaufelprofil 2 weist einen Schaufelvorder- kantenpunkt 3 und einen Schaufelhinterkantenpunkt 4 auf. Die gerade Strecke zwischen dem Schaufelvorderkantenpunkt 3 und dem Schaufelhinterkantenpunkt 4 ist die Profilsehne 5. Das Schaufelprofil 2 weist weiterhin eine den Schaufelvorderkantenpunkt 3 und den Schaufelhinterkantenpunkt 4 verbindende konvex gekrümmte Saugseitenkontur 6 auf. Der Saugseitenkontur 6 liegt eine den Schaufelvorderkantenpunkt 3 und den Schaufelhinterkantenpunkt 4 verbindende Druckseitenkontur 13 gegenüber. Die Profildicke ist mit d bezeichnet. Das Schaufelprofil 2 schließt einen Kreis 10 mit einem maximalen Durchmesser D ein. Durch den Mittelpunkt M des Kreises 10 führt eine Kreisabstandsgerade 11. Diese Kreisabstandsge- rade 11 schneidet die Profilsehne 5 senkrecht in einem Kreisabstand K, gemessen vom Schaufelvorderkantenpunkt 3. Parallel zur Profilsehne 5 ist ein die Länge L der Profilsehne 5 verdeutlichender Maßstab MS eingezeichnet. Eine Bezugsgerade 8 schneidet die Profilsehne 5 senkrecht bei 5% der Länge L der Profilsehne 5, gemessen vom Schaufelvorderkantenpunkt 3. Dieser Wert ist mit 0.05L angegeben. Die Bezugsgerade 8 schneidet weiterhin die Druckseitenkontur 13 in einem Druckseitenschnittpunkt 15 und die Saugseitenkontur 6 in einem Saugseitenschnittpunkt 7. Die Saugseite 6 weist im Saugseiten- Schnittpunkt 7 eine Saugseitenkrümmung mit einem Krümmungsradius P auf. Im Saugseitenschnittpunkt 7 liegt eine Saugseitentangente 12 an der Saugseitenkontur 6 an. Im Druckseitenschnittpunkt 15 liegt an der Druckseitenkontur 13 eine Druckseitentangente 14 an. Die Saugseitentangente 12 und die Druckseitentangente 14 schließen miteinander einen Tangentenwinkel T ein.
Die Verdichterschaufel 1 ist nun besonders für den Einsatz bei Strömungsverhältnissen mit großen Reynolds-Zahlen und ho- hen Turbulenzgraden dadurch geeignet, a) daß der Krümmungsradius P kleiner als die Hälfte der Länge L der Profilsehne 5 ist, b) daß der Kreisabstand K kleiner als 32%, im geeigneten Fall gleich 23% der Länge L der Profilsehne 5 ist, und c) daß der Tangentenwinkel T zwischen 5° und 20° liegt. Figur 2 zeigt den Querschnitt der Verdichterschaufel 1 aus Figur 1. Es ist schematisch eine Umstromung der Verdichterschaufel 1 mit einem Gas 20 dargestellt. Dabei ist nur die Strömung des Gases 20 entlang der Saugseitenkontur 6 m einer Grenzschicht 23 abgebildet. Die Strömung des Gases 20 ist, gemessen vom Schaufelvorderkantenpunkt 3, zunächst eine laminare Strömung 20A. In einem Transitionsabstand R, gemessen entlang der Profilsehne 5 vom Schaufelvorderkantenpunkt 3, schlagt die laminare Strömung 20A in eine turbulente Stro- mung 20B um. Das Gas hat dort die Transitionsgeschwmdigkeit 25. Die Geschwindigkeit des Gases 20 in Abhängigkeit vom Abstand vom Schaufelvorderkantenpunkt 3 ist gestrichelt als Ge- schwmdigkeitsverteilung 22 eingezeichnet. Die Geschwmdig- ke tsverteilung 22 hat am Schaufelvorderkantenpunkt 3 einen Wert 21 für die Anströmgeschwindigkeit A. Mit zunehmendem Abstand X vom Schaufelvorderkantenpunkt 3 wachst die Geschwindigkeit des Gases 20. In einem Maximumabstand S vom Schaufelvorderkantenpunkt 3 wird ein Geschwindigkeitsmaximum 24 erreicht. Mit weiter zunehmendem Abstand X verringert sich die Geschwindigkeit des Gases 20, bis sie am Ende der Schaufel 1 einen Wert 28 erreicht hat, der geringer ist als der Wert 21 der Anströmgeschwindigkeit Ä.
Besonders niedrige aerodynamische Verluste, insbesondere bei Stromungsverhaltnissen mit großen Reynoldszahlen und hohen Turbulenzgraden, werden dadurch erzielt, daß Transitionsabstand R und Maximumsabstand S zusammenfallen. Damit ergibt sich keine Beschleunigung für die turbulente Strömung 20B. Eine solche Beschleunigung hatte besonders hohe Verluste zur Folge. Weiterhin ergibt sich die für die genannten Stromungs- verhaltnisse besonders gute Eignung der Verdichterschaufel 1 daraus, daß der Maximumabstand S kleiner als 15% der Lange L der Profilsehne 5 ist.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm einen dunkel dargestellten
Bereich von hinsichtlich der aerodynamischen Verluste geeigneter V'erte f r den Kreisabstand K aus Figur 1. Die Anstrom- geschwindigkeit A wird in Werten der Machzahl Mai angegeben, wobei der Wert Mai = 1 die Schallgeschwindigkeit im Gas 20 bei gegebener Temperatur und bei gegebenem Druck bedeutet. Der Kreisabstand K ist in Einheiten der Länge L der Profil- sehne 5 angegeben, wobei die Länge L der Profilsehne 5 auf 1 normiert ist. Für unterschiedliche Strömungsrandbedingungen, z.B. unterschiedliche Anströmwinkel des Gases 20 zur Verdichterschaufel 1, ergeben sich unterschiedliche Werte für den Kreisabstand K. Diese verschiedenen Werte ergeben den dunkel dargestellten Bereich. Hinsichtlich aerodynamischer Verluste geeignete Werte für den Kreisabstand K sind im wesentlichen kleiner als 30% der Länge L der Profilsehne 5.
In Figur 4 ist der Tangentenwinkel T, ausgedrückt als relati- ver Tangentenwinkel TR, in Abhängigkeit von verschiedenen
Werten 21 für die Anströmgeschwindigkeit A dargestellt. Die Einheiten für die Anströmgeschwindigkeit A entsprechen den Einheiten aus Figur 3. Der relative Tangentenwinkel TR ergibt sich aus dem Tangentenwinkel T nach Figur 1 gemäß
T L TR = .
R 100 D
In Figur 4 ist der Bereich, der hinsichtlich aerodynamischer Verluste geeignete Werte für den relativen Tangentenwinkel TR enthält, dunkel dargestellt. Die verschiedenen Werte des Bereiches ergeben sich aus unterschiedlichen Strömungsrandbe- dingungen. Der relative Tangentenwinkel TR liegt demnach bevorzugt zwischen 1.2 und 2.0.
Figur 5 zeigt die Profildicke d der Verdichterschaufel 1 aus Figur 1 in Abhängigkeit vom Abstand X vom Schaufelvorderkan- tenpunkt 3 entlang der Profilsehne 5. Die Profildicke d und der Abstand X sind dabei auf die Länge L der Profilsehne normiert. Im Kreisabstand K von 23% der Länge L der Profilsehne 5, X = K = 0.23L ergibt sich eine maximale Profildicke d = D. Figur 6 zeigt schematisch eine Gasturbine 31. Entlang einer Achse 34 sind ein Verdichter 30 und eine Turbine 33 hintereinander angeordnet. Zwischen dem Verdichter 30 und der Turbine 33 ist eine Brennkammer 32 geschaltet. Entlang der Achse 34 sind im Verdichter 30 Schaufelkränze 35 angeordnet. Diese Schaufelkränze 35 sind aus Verdichterschaufeln 1 gemäß Figur 1 aufgebaut. Entlang der Achse 34 wechseln sich Leitschaufelkränze 1A und Laufschaufelkränze 1B ab. Beim Betrieb der Gasturbine 31 wird Luft 20 in den Verdichter 30 gesaugt. Diese Luft 20 wird im Verdichter 30 komprimiert. Die komprimierte Luft 20 gelangt in die Brennkammer 32, wo sie unter Zufuhr von Brennstoff B zu Abgas 20' verbrannt wird. Das Abgas 20' entspannt sich in der Turbine 33. Dadurch wird die Turbine 33 angetrieben. Den im Verdichter 30 auftretenden Strömungsverhältnissen, die durch große Reynoldszahlen und hohe Turbulenzgrade gekennzeichnet sind, werden die Verdichterschaufeln 1 durch ihre oben dargelegte Ausgestaltung gerecht, so daß sich geringe aerodynamische Verluste und damit ein hoher Wirkungsgrad für die Gasturbine 31 ergeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichterschaufel (1) mit einem Schaufelprofil (2), welches aufweist: a) einen Schaufelvorderkantenpunkt (3) , b) einen Schaufelhinterkantenpunkt (4), c) eine Profilsehne (5) , die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt (3) zum Schaufelhinterkantenpunkt (4) erstreckt, wobei d) das Schaufelprofil (2) eine konvex gekrümmte Saugseitenkontur (6) und eine der Saugseitenkontur (6) gegenüberliegende Druckseitenkontur (13) aufweist, die jeweils den Schaufelvorderkantenpunkt (3) und den Schaufelhinterkantenpunkt (4) verbinden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Saugseitenkontur (6) an einem Saugseitenschnittpunkt (7) mit einer die Profilsehne (5) bei 5% der Länge (L) der Profilsehne (5) senkrecht schneidenden Bezugsgeraden (8) einen Krümmungsradius (P) aufweist, der kleiner als die Hälfte der Länge (L) der Profilsehne (5) ist.
2. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß deren Schaufelprofil (2) einen Kreis (10) mit einem maximalen Durchmes- ser (D) einschließt, welcher maximale Durchmesser (D) eine maximale Profildicke (D) definiert, wobei eine durch den Mittelpunkt (M) dieses Kreises (10) führende Kreisabstandsgerade (11) die Profilsehne (5) senkrecht schneidet und um einen Kreisabstand (K) zum Schaufelvorderkantenpunkt (3) beabstan- det ist der kleiner als 32% der Länge (L) der Profilsehne (5) ist und insbesondere zwischen 15% und 30% der Länge (L) der Profilsehne (5) liegt.
3. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Saugseitenkontur (6) am Saugseitenschnittpunkt (7) eine Saugseitentangente (12) und die Druckseitenkontur (13) an einem Druck- Seitenschnittpunkt (15) mit der Bezugsgeraden (8) eine Druckseitentangente (14) aufweist, wobei die Saugseitentangente (12) und die Druckseitentangente (14) miteinander einen Tangentenwinkel (T) zwischen 5° und 20° einschließen.
4. Verdichterschaufel (1) mit einem Schaufelprofil (2), welches a) einen Schaufelvorderkantenpunkt (3) , b) einen Schaufelhinterkantenpunkt (4), c) eine Profilsehne (5) , die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt (3) zum Schaufelhinterkantenpunkt (4) erstreckt, d) eine konvex gekrümmte Saugseitenkontur (6) und eine der Saugseitenkontur (6) gegenüberliegende Druckseitenkontur (13) , welche jeweils den Schaufelvorderkantenpunkt (3) und den Schaufelhinterkantenpunkt (4) verbinden, aufweist und welches e) einen Kreis (10) mit einem maximalen Durchmesser (D) einschließt, welcher maximale Durchmesser (D) eine maximale Pro- fildicke (D) definiert, wobei eine durch den Mittelpunkt (M) dieses Kreises (10) führende Kreisabstandsgerade (11) die Profilsehne (5) senkrecht schneidet und um einen Kreisabstand (K) zum Schaufelvorderkantenpunkt (3) beabstandet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kreisab- stand (K) kleiner als 32% der Länge (L) der Profilsehne (5) ist und insbesondere zwischen 15% und 30% der Länge (L) der Profilsehne (5) liegt.
5. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an der Saugseitenkontur (6) an einem Saugseitenschnittpunkt (7) mit einer die Profilsehne (5) bei 5% der Länge (L) der Profilsehne (5) senkrecht schneidenden Bezugsgeraden (8) eine Saugseitentangente (12) und an der Druckseitenkontur (13) an einem Druckseitenschnittpunkt (15) mit der Bezugsgeraden (8) eine Druckseitentangente (14) anliegt, wobei die Saugseitentan- gente (12) und die Druckseitentangente (14) miteinander einen Tangentenwinkel (T) zwischen 5° und 20° einschließen.
6. Verdichterschaufel (1) mit einem Schaufelprofil (2), wel- ches aufweist: a) einen Schaufelvorderkantenpunkt (3), b) einen Schaufelhinterkantenpunkt (4), c) eine Profilsehne (5) , die eine gerade Strecke ist und sich vom Schaufelvorderkantenpunkt (3) zum Schaufelhinterkanten- punkt (4) erstreckt, d) eine Saugseitenkontur (6), welche an einem Saugseitenschnittpunkt (7) mit einer die Profilsehne (5) bei 5% der Länge (L) der Profilsehne (5) senkrecht schneidenden Bezugsgeraden (8) eine Saugseitentangente (12) aufweist, und e) eine der Saugseitenkontur (6) gegenüberliegende Druckseitenkontur (13) , welche an einem Druckseitenschnittpunkt (15) mit der Bezugsgeraden (8) eine Druckseitentangente (14) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Saugsei- tentangente (12) und die Druckseitentangente (14) miteinander einen Tangentenwinkel (T) zwischen 5° und 20° einschließen.
7. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Schau- felprofil (2) einen Kreis (10) mit einem maximalen Durchmesser (D) einschließt, welcher maximale Durchmesser (D) eine maximale Profildicke (D) definiert, wobei mit den Bezeichnungen: D für die maximale Profildicke (D) , L für die Länge (L) der Profilsehne (5) und T für den Tangentenwinkel (T) gemäß:
R 100 D ein relativer Tangentenwinkel TR definiert ist, der zwischen 1 und 2.5, insbesondere zwischen 1.2 und 2 beträgt.
8. Verdichterschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich bei einer Umströmung mit einem Gas (20) it einer vorgegebenen Anströmgeschwindigkeit (A) an der Saugseitenkontur (6) eine Grenzschicht (23) des Gases (20) einstellt, in welcher ein Geschwindigkeitsmaximum (24) auftritt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Schaufelprofil (2) so gewählt ist, daß sich bei einem Wert der Anströmgeschwindigkeit (A) größer als Machzahl 0.4 in der Grenzschicht (23) ein Transitionsort (26) ergibt, in welchem sich die Umströmung von laminar nach turbulent ändert und in welchem das Gas eine Transitionsgeschwindigkeit (25) aufweist, die mindestens 90% des Geschwindigkeitsmaximums (24) beträgt .
9. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich entlang der Saugseitenkontur (6) vom Schaufelvorderkantenpunkt (3) zum Schaufelhinterkantenpunkt (4) bei einer Umströmung mit einem Gas (20) an der Saugseitenkontur (6) eine Grenzschicht (23) des Gases (20) einstellt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Schaufel- profil (2) so gewählt ist, daß an einem Maximumort (27) in der Grenzschicht (23) ein Geschwindigkeitsmaximum (24) auftritt, wobei eine durch den Maximumort (27) führende, die Profilsehne (5) senkrecht schneidende Maximumgerade (26) vom Schaufelvorderkantenpunkt (3) um einen Maximumabstand (S) be- abstandet ist, der weniger als 15% der Länge (L) der Profilsehne (5) beträgt.
10. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schaufelprofil (2) zwischen 1% und 99% der Länge (L) der
Profilsehne eine Profildicke (d) aufweist, die mindestens 18% der maximalen Profildicke (D) beträgt.
11. Verwendung einer Verdichterschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Verdichter (30) einer stationären Gasturbine (31) .
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